Obrabotka Metallov 2018 Vol. 20 No. 4

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 20 № 4 2018 22 ТЕХНОЛОГИЯ физических, химических и механических свойств [1–7]. Склонность данного вещества к аморфи- зации можно оценивать по минимально необ- ходимой скорости охлаждения (критической скорости охлаждения) расплава. Для чистых ме- таллов требуемая скорость охлаждения крайне велика (10 10 …10 12 К/с), поэтому их аморфизация сильно затруднена. Однако способность метал- лических сплавов к аморфизации значительно различается в первую очередь в зависимости от химического состава. Например, для сплавов системы Fe-Si-B критическая скорость охлаж- дения, достаточная для образования аморфного состояния, составляет 10 6 …10 7 К/с [8]. В насто- ящее время аморфное состояние получено у ши- рокого круга сплавов на основе железа [9–12], никеля [13], алюминия [14], меди [15], показаны их высокие эксплуатационные свойства. Раз- виваются методы численного моделирования для поиска лучших составов аморфизируемых сплавов [16]. Широкое распространение для создания таких покрытий получили лазерные методы [2–6, 13, 15, 17–20] ввиду возможности обеспечения высокой скорости охлаждения рас- плавленного слоя после прекращения лазерного воздействия (10 6 К/с и более). Активно ведутся исследования по созданию объемных аморфных тел при помощи лазерных аддитивных техноло- гий [17–19]. В работе [20] описывается методи- ка получения аморфных покрытий в два этапа. Вначале проводят лазерную наплавку сплава на подложку из малоуглеродистой стали с после- дующим быстрым переплавом поверхностного слоя для формирования аморфной структуры. В последние годы в Институте лазерной физики разрабатываются лазерно-плазменные методы модификации поверхности и микропо- рошкового нанесения покрытий. Эти методы основаны на применении плазмы оптическо- го пульсирующего разряда (ОПР), который за- жигается повторяющимися с высокой частотой следования (10…120 кГц) импульсами излуче- ния СО 2 -лазерной системы генератор-усилитель (длительность импульсов на полувысоте τ = = 150…200 нс), сфокусированными на обраба- тываемой поверхности в газовом или газопо- рошковом потоке [21]. Показано [22–23], что лазерно-плазменная обработка в легирующей атмосфере приводит к формированию на по- верхности металлов композитной структуры, состоящей из высокотвердого наноструктуриро- ванного поверхностного слоя и промежуточного легированного или закаленного подслоя. Произ- водительность лазерно-плазменной обработки выше в 7…10 раз традиционной лазерной закал- ки и в 3…4 раза – лазерной наплавки. Это объ- ясняется в основном 4-5-кратным превышением эффективности энергообмена между лазерной плазмой и металлом над прямым поглощением лазерного излучения и действием гиперинтен- сивного ультразвука, генерируемого плазмой ОПР с амплитудой пульсаций давления ~ 10 МПа [22]. Таким образом, актуальной является задача дальнейшего исследования и разработки новых применений лазерно-плазменного метода. В связи с большим интересом, проявляемым во всем мире к аморфным металлическим по- крытиям, целью данной работы было получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов системы Fe-Cr-Si-B-C, а также исследо- вание возможности получения аморфной струк- туры покрытий лазерно-плазменными метода- ми. Для этого применяли лазерно-плазменное микропорошковое нанесение упрочняющих по- крытий из аморфизируемых сплавов на основе железа на стальные подложки с последующей быстрой модификацией поверхности. Числен- ное моделирование использовалось для опреде- ления параметров лазерно-плазменного воздей- ствия, приводящего к формированию аморфного слоя. Теория Для интенсивного теплового воздействия пульсирующей лазерной плазмы на поверхность металлических сплавов проведено численное моделирование зависимости толщины аморфи- зированного слоя от свойств материала, пара- метров лазерного излучения и лазерной плазмы. Решалась задача теплопроводности в следую- щей постановке. Уравнение теплопроводности [24] в декартовой системе координат в общем виде выглядит следующим образом: z z                          dE d dT d dT d dT q dt dx dx dy dy d d , где Т – температура; ρ – плотность; λ – тепло- проводность; dE/dt – прирост энергии в единице объема; q – источник теплоты. Прирост энергии